KR100275306B1 - 가스혼합물중의 no 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 산소이온전도 고체전해질층, 및 다공성 고체구조를 가진, 바람직하게는 금속 및/또는 금속산화물을 함유하며 가스성분과 상호작용하는, 박막전극을 가진 적어도 2개의 전기절반을 구비한 기판을 포함하는, 가스혼합물중의 질소산화물, 특히 일산화질소(NO)의 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치에 관한 것이다. NO 농도에 의존하며 농도값으로 변환가능한 전기측정신호가 발생된다. 고체 전해질층의 한 측면, 즉 상부면상에 적어도 2개의 전극이 측정전극 및 기준전극으로서 서로 이격되어 배치된 박막의 형태로 제공되며, 상기 2개의 전극이 박막형태인 공통 전해질층의 상부면상에 제공되고, 상기 전해질층 하부에서 역전극이 기판상에 배열된다. 본 발명은, 측정전극과 역전극 사이에 전압이 인가되고, 연전극으로부터 나온 전류(I)가 NO 농도의 함수로서 측정되며, 또한 전압이 측정전극(11b)과 기준전극(11a) 사이에 일정한 전위차가 생기도록 인가되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 박막 산소이온전도 고체전해질층, 및 다공성 고체구조를 가진, 바람직하게는 금속 및/또는 금속산화물을 함유하며 가스성분과 상호작용하는, 박막전극을 가진 적어도 2개의 전지절반을 구비한 기판을 포함하며, NO 농도에 의존하여 농도값으로 변환가능한 전기 측정신호가 발생되고, 고체전해질층의 한 측면, 즉 상부면상에 적어도 2개의 전극이 측정전극 및 기준전극으로서 서로 이격되어 배치된 박막의 형태로 제공되며, 상기 2개의 전극이 박막형태인 공통 전해질층의 상부면상에 제공되고, 상기 전해질층 하부에서 역전극이 기판상에 배열되는 가스 혼합물중의 질소산화물, 특히 일산화질소(NO)의 농도를 계속 모니터링 하기 위한 장치에 관한 것이다.
이런 장치는 공지되어 있다(독일특허 41 02 741.8 : 제 2b 도). 그러나, 상기 공지된 장치로는 전류흐름없이 2개의 전지절반에 의해 전극중 하나와 역전극 사이의 전위차를 측정함으로써, 비교적 낮은 민감도를 가진 질소산화물, 예컨대 NO 농도의 전위차 측정만이 가능하다.
따라서, 본 발명의 목적은 현저히 개선된 민감도를 가진 NO 측정을 가능하게 하는 전술한 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 측정전극과 역전극 사이에 전압이 인가되고 역전극으로부터 나온 전류가 NO 농도의 함수로 측정됨으로써 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예 및 개선예는 특허청구의 종속항에 제시된다.
본 발명에 따라 측정전극과 역전극 사이에 가변전압이 인가됨으로써, 측정 가스중의 NO 농도의 함수를 나타내는, 역전극으로부터 나온 전류가 얻어진다. 상기 인가전압은 측정전극과 기준전극 사이에 일정전위가 생기도록 추종된다. 측정되는 전류세기는 NO 의 존재에 의해 변동되는 전극반응의 속도에 의해 제한된다. 따라서, NO에 대한재료의 촉매작용이 전극재료 선택의 중요한기준이 된다. 전극재료로는 Ln1-XANO3형태의 퍼로브스카이트 화합물이 있으며, 여기서 Ln 은 SC, Y, L 열의 한 원소 또는 란탄족(원자번호 58-71)의 치환체이고, A 는 제 2 주그룹의 적어도 한 원소이며, N 은 전이금속 Cr, Mn, Fe, Co 의 적어도 한 원소이고, x 는 0.01 내지 0.5이다.
또한, 횡방향 민감도, 즉 가스혼합물중의 다른 가스에 대한 민감도는 두 전극의 재료선택에 의해 의도한 바대로 최소화될 수 있다. 여기서도 NO 에 대한 촉매작용이 중요한 것으로 나타났다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 개선예는 특허청구범위의 종속항에 제시 된다.
바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도면에서, 제1도는 장치의 제 1 실시예의 횡단면도이고, 제2도는 제1도에 따른 장치의 펑면도이며, 제3도는 측정장치의 기본 구성도이고, 제4도는 파라메터로서 NO 의 농도를 가진 인가된 전압 U 에 대한 측정전극 및 역전극 사이에 흐르는 전류의 특성곡선이며, 제5도는 NO 에 대한 전류의 다이어그램이고, 제6도는 장기간 테스트에 대한 다이어그램이다.
전지용 기판(41), 특히 Al2O3는 그것의 한 측면(7)상에 역전극(40)을 가지며, 위에는 음이온 전도 고체 전해질의 다공성 층, 특히 이트륨 도핑된 이산화지르코늄(8 몰%)을 그리고 그 위에는 하기에 상세히 설명될 기준전극(11a) 및 측정전극(11b)을 가진다. 이러한 배열에서 측정전극(11b)은 평면도로 볼때 역전극(40)을 완전히 덮어야 한다. 또한, 세라믹 기판(41)의 한 측면상에는 전지를 둘러싸는 온도센서(8)가 제공된다. 기판(41)의 배면(9) 상에는 평면도로 볼때 구불구불한 형태일 수 있는 저항 가열층(10)이 제공된다.
고체 전해질층(6)의 상부면상에는 2개의 상이한 전극, 즉 일반식 Ln1-XAXNO3(x = 0.01 내지 0.5)의 퍼로브스카이트 재료를 갖는 기준전극(11a) 및 측정 전극(11b)이 서로 이격되어 배열된 박막형태로 제공된다.
스크린 프린팅 기슬 및 후속의 소결에 의해 제조되는 플레이너 또는 후막 공학의 이러한 장치는 매우 적은 질량 및 작은 조립치수를 가지며 게다가 홀더로서 작은 하우징만을 필요로 한다.
측정전류의 탭 및 측정전압의 공급을 위해 그리고 저항 가열층(10)의 가열을 위해, 기판(41)상에 프린트된 스트립도체(25)의 형태로 금속층이 제공된다.
제3도에는 사용되는 전류 측정장치의 기본구성이 도시되어 있다. 측정전극(11b)과 역전극(40) 사이에 전압 U(31)가 인가되며, 측정전극(11b), 고체 전해질층, 특히 YSZ(8 몰%)과 역전극(40)을 통해 흐르는 전류 I 가 측정된다. 상기 전압 U (31)는 측정전극(11b)과 기준전극(11a) 사이에 일정전위차 Un(30)이 생기도록 추종된다. 모든 경우에 고체 전해질층은 예컨대 ZrO2또는 CeO2와 같은 O2음이온 전도체이어야 한다.
그에따라 제2도에서 전압원(31)은 전극(11b)와 (40) 사이에, 전류 측정장치(20)는 측정전극에 대한 라인과 역전극에 대한 라인사이에 그리고 전압측정장치(30)는 측정전극(11b)과 기준전극(11a) 사이에 접속된다. 제4도에 나타나는 바와같이, NO 의 농도에 대해 전압에 따른 전류곡선이 얻어진다. 일정전압 UK에서 전류는 IO내지 Ikonz2로 변동된다.
제5도는 전극물질로 La0.8Sr0.2MnO3를 가진 본 발명에 따른 장치의 NO 농도에 대한 전류의 의존도를 다이어그램으로 나타낸다. 0 및 2725ppm NO 농도에서 측정신호(1)의 장기간 안정성은 제6도의 다이어그램에 나타난다.
Claims (15)
- 박막 산소이온 전도 고체 전해질층(6), 및 다공성 고체구조를 가진, 바람직하게는 금속 및/또는 금속 산화물을 함유하며 가스성분과 상호작용하는, 박막전극(11a,11b,40)을 가진 2개 이상의 전기절반을 구비한 기판을 포함하며, NO 농도에 의존하며 농도값으로 변환가능한 전기 측정신호가 발생되고, 고체 전해질층의 한 측면, 즉 상부면상에 2개 이상의 전극이 측정전극(11b) 및 기준전극(11a)으로서 서로 이격되어 배치된 박막의 형태로 제공되며, 상기 2개의 전극(11a,11b)이 박막형태인 공통 전해질층의 상부면상에 제공되고, 상기 전해질층 하부에서 역전극(40)이 기판(41)상에 배열되는, 가스 혼합물중의 질소 산화물, 특히 일산화질소(NO)의 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치에 있어서, 측정전극(11b)과 역전극(40) 사이에 전압이 인가되고 역전극(40)으로 부터 나온 전류(1)가 NO농도의 함수로 측정되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 측정전극(11b)과 기준전극(11a) 사이에는 일정한 전위차가 발생하도록 전압(31)이 인가되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판(41)의 다른 측면(9)상에 전기저항 가열층이 가열수단으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 한 측면(7)상에서 고체 전해질층(6) 및 두 전극(11a, 11b)으로부터 이격된 온도센서(8)는 전극(11a, 11b), 고체 전해질층(6) 및 역전극(40) 주위의 기판(41)의 가장자리에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판(41)은 비 이온전도 세라믹으로 형성되며, 한 측면(7)상에 역전극(40) 및 고체 전해질층(6), 상기 고체 전해질층(6)상의 전극(11a,11b), 및 온도 센서(8)를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 기판(41)은 산화 알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 기판(41)은 세라믹으로 제조되며 전기라인(20, 21, 25)용 접속부(24)를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고체 전해질층이 음이온 전도체인 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고체 전해질층은 안정화된 ZrO2또는 CeO2로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서, 상기 고체 전해질층은 이트륨 도핑된 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 10 항에 있어서, 상기 도핑량은 8 몰%인 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 모든 층, 즉 전극(11a,11b), 전해질층(6), 온도센서(8) 및 저항 가열층(10)은 후막기술로 기판(41)상에 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 12 항에 있어서, 상기 층들은 스크린 프린팅에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 역전극(40), 측정전극(11b) 및/또는 기준전극(11a)은 Ln1-XAXMO3로 이루어지며, 여기서 Ln은 Sc, Y, La, 열의한 원소 또는 란탄족(원자번호 58-71)의 치환제이고, A는 제 2 주그룹중 하나 이상의 원소이며, M은 전이금속 Cr, Mn, Fe, Co 중 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 가스 혼합믈중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 X는 0.01 내지 0.05인 것을 특징으로 하는 가스 혼합물중의 NO 농도를 계속 모니터링하기 위한 장치.
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